Plasma, el cuarto estado de la materia

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i.tanarro@csic.es
¿ Por que “CUARTO ESTADO DE LA MATERIA” ?
Los PLASMAS en la TIERRA son mucho más escasos,
y efímeros que Sólidos, Líquidos y Gases.
Sus características son mucho más complejas
y se han estudiado y comprendido más tarde.
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Pero el plasma es la materia “conocida” más abundante
del Universo: Sol, Estrellas, Nebulosas… ( >99% )
SOL ≈ 98% Masa del Sistema Solar
Fácilmente detectable a distancia: ¡Todos los plasmas emiten luz!
¡ y casi todo lo que emite luz es plasma !
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Indice de la presentación
•
•
•
•
Clases de Materia e Introducción al Plasma
Procesos más importantes en el Plasma
Plasmas Naturales
Aplicaciones Tecnológicas
+ Algunas demostraciones experimentales…
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¿QUÉ ES EL PLASMA?
“Materia Gaseosa Fuertemente Ionizada,
con Igual Número de Cargas Eléctricas Libres
Positivas y Negativas”
Diccionario de la Real Academia
Española de la Lengua
Denominado Plasma por 1ª vez en 1920
por Irving Langmuir, Nobel de Química (1932).
General Electric.
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Clasificación Antigua de la Materia
La clasificación de los cuatro elementos clásicos griegos
Tierra , Agua , Aire , Fuego
data de  450 a. C. y persistió hasta el Renacimiento.
También aparece en otras culturas,
como el Budismo o el Hinduismo
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Estados de Agregación (clasificación actual)
SÓLIDO
LÍQUIDO
7
GAS
Aporte de Energía Calorífica  Aumento de Temperatura
Presión
(Pa)
1 atm
Punto
de
Fusión
SOLIDO
LIQUIDO
Punto de
Ebullición
GAS
H2O
Diagrama
de fases
del agua
7
Temperatura (K)
GAS
PLASMA
Más Energía
Ionización
Eléctrica
Térmica
Luminosa
Química
Nuclear
Cargas Libres 
¡ Al contrario que el Gas,
el Plasma es
buen Conductor Eléctrico !
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GASES
• Comportamiento independiente entre Partículas Neutras
• Transferencia de Energía por Colisiones Individuales
Partícula Neutra
( choques individuales )
Partícula Cargada
( acción a distancia )
PLASMAS
• Comportamiento Colectivo de Iones y Electrones.
• Responden a Fuerzas Electro-Magnéticas
• Se pueden confinar lejos de las paredes
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ESTUDIOS PIONEROS
Benjamin Franklin (1752):
Experimento del rayo y la cometa
 origen eléctrico del rayo.
B. Franklin
Michael Faraday (1820):
Descargas en arco (inestables).
Al bajar la presión, las descargas se hacían estables
y pasaban a emitir una luz tenue y difusa.
M. Faraday
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Descargas eléctricas en gases a baja presión
Célula de Descarga
y Bomba de Vacío
(1880)
Alto voltaje entre electrodos  1000 V
Presión  0.001 atm  2,5  1016 moléculas/cm3
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William Crookes (1880):
Tubos de Crookes: Plasma = “GAS RADIANTE”.
Interponiendo objetos, identificó unas partículas
en el plasma que llamó rayos catódicos.
W. Crookes
Joseph J. Thomson (~ 1897):
Desviación de rayos catódicos con campos
electromagnéticos ( origen del televisor ).
Midió la carga del electrón y descubrió que procedía
del interior del átomo. Primer modelo atómico.
J. J. Thomson
(P. Nobel Física 1906)
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Plasma controlado por un campo magnético.
Prof. H. Kersten (Germany)
13
Nicola Tesla (1856-1943)
•
•
•
1er Motor de Corriente Alterna (1887)
1ª Central Hidroeléctrica (Niagara Falls 1893)
Transmisión por radio (15 años antes que Marconi)
Nicola Tesla
& Mark Twain (1894)
Bola de Plasma
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PROCESOS MÁS IMPORTANTES
EN EL PLASMA
1º. Ionización
Fenómeno desencadenante del plasma.
e-
+
e-
e-
15
• Los electrones liberados en la
ionización pueden ser acelerados por
campos electro-magnéticos externos
y GANAN ENERGÍA.
_
+
e-
• Sucesivos choques  ionización en cadena.
Se establece una CORRIENTE ELÉCTRICA.
• Pero si cesa el aporte de energía,
las cargas +/- se recombinan
y el plasma se extingue rápidamente.
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2º. Disociación Molecular
H2O
e-
HO
H
+
e-
Las moléculas se rompen liberando átomos y radicales
que reaccionan químicamente
y forman con rapidez nuevas especies. H2O  H2 , O2 , H2O2
NO2  N2 , O2 , N2O, NO (destrucción de contaminantes)
CH4  C2Hy, CxHy ,… microdiamantes…
SiH4 + NH3  H2 + N2 + Si3N4 (recubrimiento pasivante)
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3º. Excitación y Desexcitación
• Excitación interna
por impacto electrónico
¡ Solo con electrones de
energías bien definidas !
• Desexcitación y emisión de
fotones de energías concretas.
e-
¡ Los plasmas emiten luz!
Su análisis permite
conocer las especies
que contienen
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Primer analisis espectral:
Isaac Newton (1642-1727)
Refracción de la luz en un prisma de cuarzo
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Espectros de Emisión
H
Au
Fe
Energías discretas : Fundamento de la Física Cuántica
Espectrómetros Actuales con Red de Difracción
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4º. Reacciones con las Superficies
Los iones del plasma impactan con mucha energía
sobre las superficies circundantes, y arrancan partículas
que se incorporan al plasma.
A su vez, algunas partículas formadas en el plasma
se depositan en las superficies.
Ventanas de observación recubiertas paulatinamente
con material metálico de las paredes del reactor
Reactor de plasma
Laboratorio de Plasmas Fríos, CSIC
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Todo lo anterior da lugar a un gran número
de componentes del plasma:
• Iones (+/-) y electrones libres
• Átomos y moléculas neutras
( precursores del plasma y productos formados)
• Partículas procedentes de las paredes
• Especies excitadas (neutras o cargadas)
• Fotones
PLASMA : ¡ MEDIO EXTRAORDINARIAMENTE
REACTIVO Y COMPLEJO !
• Distribuciones de energías (temperaturas) muy dispares
entre las distintas clases de partículas.
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En COLISIONES ELÁSTICAS entre los electrones, muy ligeros,
y los átomos o moléculas, mucho más pesados,
APENAS se transfiere la ENERGÍA CINÉTICA
ganada por los electrones en el campo electro-magnético.
eee-
H
eChoque e- + H
me ~ MH /1800
Choque e- + eigual masa :
el intercambio de
energía es máximo
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La energía media de los electrones del plasma (su temperatura)
puede ser mucho mayor que la de las especies más pesadas
“PLASMAS FRÍOS”
importantes en multitud de aplicaciones
Te = 30.000 K
Tgas = 300 K
¡ Solo en plasmas con bajo grado de ionización !
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Al aumentar la presión y el grado de ionización,
la temperatura electrónica y del gas se igualan
porque aumenta el número de colisiones.
frío
Fluorescente: plasma frío
Arco: plasma térmico
Magnitudes más importantes del Plasma
• Densidad de Carga Eléctrica Libre
• Temperatura Electrónica
25
10
10
2
30
10
3
10
4
Conductores
Sólidos y Líquidos
10
T (K)
5
10
6
Fotosfera
Solar
26
10
30
PLASMAS
10
25
Núcleo de
Reactor de Fusión
10
20
10
15
10
10
Foco de
láser
-3
Ne ( m )
10
10
9
Núcleo Solar
25
LRayo
Arco Eléctrico
20
10
8
Núcleo de
Júpiter
Cristal de Si
10
10
7
Fusion:
Borde del plasma
LLama
10
15
Aurora
10
Corona
Solar
Descarga
Luminiscente
Espacio
Interplanetario
Nebulosa
de Plasma
10
10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
E (eV)
2
10
3
10
4
26
10
5
PLASMAS NATURALES
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100 s  Nucleosíntesis  1H+ + n ( + e  )  2D+, 3He+ ( + e )
109 K
Radiación atrapada en el denso plasma primigenio.
Teoría del Big Bang
380.000 años  Recombinación Núcleos – Electrones  Átomos neutros.
3.000 K
Desacoplamiento Luz – Materia 
Radiación de Fondo Cósmico MW ( 2,7 K - 160,2 GHz)
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Nebulosas
- Regiones de enorme masa muy dispersa (neutros, iones, polvo),
se aproximan por gravedad y calientan hasta formar nuevas estrellas.
N. del Águila
Masa total “conocida” / Masa estrellas  14
Temperaturas desde 4 K hasta 108 K
Sistema Periódico
“Astronómico”
Orión
- Abundancia de moléculas (hasta de 200 átomos): juegan un papel
importante en la actual formación estelar (de 3ª generación).
- Especies exóticas como H3+, crucial para formar nuevas moléculas,
pueden producirse en Tierra por descargas eléctricas.
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El Sol
Fotosfera: T =6.000 K  Luz Visible
Núcleo: T = 15  106 K,
¡Gas totalmente ionizado! (70% H, 28% He)
Densidad  (150 g/cm3) 10 veces la del Pb
Edad del Sol: 4,5  109 años.
Hasta el primer tercio del S. XX se le atribuía  107 años
Por gravedad  William Thompson, Lord Kelvin (1824-1907)
Controversia con Charles Darwin (1809-1892): La Tierra, más joven
de lo necesario para permitir la Evolución de las Especies.
1938 : Procesos de Fusión Nuclear
Hans Bethe, Nobel (1.968)
600 MTm / s de H  596 MTm / s de He + 4 x 1020 MW ( E = mc2 )
Sobre la Tierra inciden  500 W / m2
Pero el Sol pesa 3  1015 MTm 
Rendimiento global de tan solo  ¡ 5 W / TM !
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Ionosfera Terrestre
Producida por la radiación solar de alta energía (X, VUV)
Baja Ionización < 10-3
Altitud ~ 60 - 1000 km
Descubierta por Marconi en 1.901 :
Reflexión de Ondas de Radio y Transmisión de Largo Alcance
Como los metales, los plasmas, al ser conductores,
reflejan radiaciones de ciertas frecuencias
fp ~ √ ne
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Auroras Boreales y Australes
Interación entre viento solar y magnetosfera terrestre (R ~ 60.000 km)
Mas intensas cada 11 años : ciclo de tormentas solares.
Altitud > 100 km ( Ionosfera )
Latitud > 60° (norte, sur)
Fluctuaciones rápidas
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Rayos
Plasma Totalmente Ionizado , T  30.000 K
De Franklin (1752)… a Tesla (1900)
Interés por daños en tendido eléctrico
Voltajes
Corrientes
Duración
 1.000 MV
12 W !
¡
P
>
10
 10.000 A
 10 s - 100 ms
34
35
“Lightning Sprites & Elves” (Mesosfera Terrestre)
Grabados accidentalmente por primera vez en 1989
y por la lanzadera espacial de la NASA en 1990.
36
Videos de Sprites. Cámara normal y cámara rápida
37
Llamas
Único plasma manejado por la especie humana hasta el S.XIX.
Baja ionización (~ 10-9), T ~ 2.000 K
Predominio de Reacciones Químicas por Combustión
Especies producidas: CO, CO2 , NO, NO2 , cenizas…
Conducen la Electricidad
Academia de Ciencias de Florencia (1667)
38
Espectros de la llama
39
APLICACIONES
TECNOLÓGICAS
40
Ejemplo de descarga
¡sin electrodos!
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Iluminación por Plasma
Lámparas de Arco
de Alta Intensidad
Fluorescentes
de bajo consumo
 Bombilla de Filamento
Incandescente
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Esterilización por Plasmas Fríos
Aplicaciones médicas…
Envases de alimentos…
Materiales que no soportan
altas temperaturas.
Doble acción bactericida:
Radiación ultravioleta.
Radicales fuertemente oxidantes.
Catéteres para diálisis,
y tubos de ensayo
de materiales plásticos
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Cambios superficiales de materiales
Gran valor añadido a sus propiedades estructurales
Resistencia al rozamiento o al ataque químico,
impermeabilidad, conductividad, propiedades ópticas,
biocompatibilidad de implantes…
Tejidos tratados con plasma,
para repeler la humedad
y las grasas
Microcristales de diamante
para recubrir
herramientas de corte
Prótesis metálica de
rodilla recubierta de
material biocompatible
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Microelectrónica
Fabricación de microcircuitos
mediante depósito o erosión por plasma
(tratamientos multicapa)
45
Pantallas
de Plasma
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Motores Iónicos para Propulsión Espacial
Sonda Lunar “Smart-1” , ESA
Tierra 2003 – Luna 2006,
1/6 de combustible de combustión
Se genera un plasma de Xe.
Los iones pesados se aceleran
en un campo eléctrico y se recombinan
a la salida (poder de propulsión).
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Reactores de Fusión Termonuclear
Reactor tipo Tokamak
“Joint European Torus”
Confinamiento magnético
ITER
500 MW
P producida
-------------------------------------------------
P consumida
= 10
48
Deuterio + Tritio
T = 108 K ¡Mayor que en el núcleo solar!
P = 10-5 Atm ¡Muy baja presión!
Consumo de combustible por persona
de un país industrializado en toda su vida:
10 g D ( en 0,5 m3 H2O ) + 30 g Li
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Consideraciones Finales
Los plasmas constituyen
la mayor parte del Universo conocido ( > 99% ),
con manifestaciones extraordinariamente
luminosas, interesantes y bellas.
Los plasmas en nuestro planeta
representan un papel
cada vez más importante
para el desarrollo científico y tecnológico.
50
¡Muchas gracias por su atención!
Laboratorio de Plasmas Fríos, IEM - CSIC
51